JP7350449B2 - メカニカルシール - Google Patents

Description

本発明は、メカニカルシールに関する。

被密封流体の漏れを防止するためにメカニカルシールが用いられている。メカニカルシールは、相対回転して摺動面同士が摺動する一対の密封環を備えている。このようなメカニカルシールにおいては、近年、摺動により失われるエネルギーの低減が望まれており、摺動面間の潤滑性向上を図るメカニカルシールが開発されている。

例えば、特許文献１に示されるメカニカルシールは、回転軸とともに回転する第１の密封環と、ハウジングに固定される第２の密封環と、を備え、これら密封環の摺動面同士を摺動させることで外径側の空間に密封される被密封流体が内径側の空間へ漏れることを防止している。また、第２の密封環には、内径側に開口するように切欠き形成された歪制御用凹部が周方向に複数配置されている。被密封流体の圧力が第２の密封環に作用したときには、歪制御用凹部を基点として第２の密封環を変形させ、歪みを生じさせることにより、第２の密封環の摺動面に凹凸が形成されるようになっている。

特開２００９－７９６３４号公報（第７頁、第３図）

特許文献１のメカニカルシールによれば、第１の密封環及び第２の密封環の相対回転時には、第２の密封環の摺動面に形成される凸部が第１の密封環の摺動面に摺動する実質的な摺動面として機能し、第２の密封環の摺動面に形成される凹部に被密封流体を導入し且つ摺動面間に排出することで摺動面間に動圧を発生させ、その動圧により摺動面同士を離間させ、該摺動面間に被密封流体を介在させることで潤滑性が向上し、低摩擦化を実現している。しかしながら、特許文献１のメカニカルシールにあっては、歪制御用凹部が大気側である内径側に開口しているため、内径側の空間に存在する塵埃等のコンタミが歪制御用凹部内に侵入して堆積することがあり、コンタミの堆積により歪制御用凹部の変形代が小さくなり、第２の密封環の変形が阻害され、摺動面に有効に凹凸を形成することができない虞があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、歪み制御用の凹部にコンタミが侵入することを抑制できるメカニカルシールを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明のメカニカルシールは、
互いに相対摺動する摺動面を備える一対の密封環を有し、被密封流体を封止するメカニカルシールであって、
一方の密封環は、軸方向において前記摺動面とは反対側に周方向に離間しかつ背面側に開口する複数の切欠溝が配置されており、
前記切欠溝は、前記被密封流体側に配置される第１の側板部と、前記第１の側板部から径方向に離間する第２の側板部によって区画されており、
前記第１の側板部と前記被密封流体側の空間との間には、環状の二次シール部材が配置されている。
これによれば、切欠溝を有するため、被密封流体の圧力により一方の密封環が変形するようになっており、摺動面に凹凸を形成することができる。さらに、切欠溝の被密封流体側とは反対側には第２の側板部が設けられているため、被密封流体側とは反対側の空間から切欠溝内にコンタミが侵入することを抑制することができ、切欠溝による一方の密封環の変形代を確保できる。

前記切欠溝の開口は、カバー部材によって覆われていてもよい。
これによれば、切欠溝の開口がカバー部材により閉塞されるので切欠溝内へのコンタミの侵入を確実に防ぐことができる。

前記第２の側板部は、前記第１の側板部よりも薄く形成されていてもよい。
これによれば、第２の側板部が第１の側板部よりも構造強度が低いので、径方向において一方の密封環の被密封流体側とは反対側の部位を縮径、或いは、拡径させやすい。

前記切欠溝は、前記一方の密封環の径方向断面における仮想重心よりも前記摺動面側まで延びる形状であるもよい。
これによれば、一方の密封環は、切欠溝が深く形成されることで、切欠溝を区画する摺動面側の部位の軸方向長さが短いので、変形により生じる内部応力を一方の密封環における摺動面に伝達させやすい。

各前記切欠溝は、前記一方の密封環の中心から放射状に延びる基準面を基準として周方向に面対称を成していてもよい。
これによれば、一方の密封環が被密封流体の圧力を受けたときに、基準面を中心として切欠溝の周方向に対称に変形が生じるので、切欠溝の周方向中央部に位置する摺動面を大きく膨出させることができる。

前記一方の密封環は一体形成されていてもよい。
これによれば、一方の密封環は一体形成されており、一方の密封環の単位体積当たりの強度が一定であるため、一方の密封環を確実に変形させることができ、且つ加工しやすい。

本発明の実施例１におけるメカニカルシールの一例を示す側断面図である。 静止密封環の摺動面を軸方向から見た図である。 静止密封環の背面を軸方向から見た図である。 （ａ）は図３のＡ－Ａ断面図、（ｂ）は図３のＢ矢視図である。 静止密封環がハウジング及びシールカバーに取付けられた状態を示す側断面図である。 （ａ）は静止密封環に被密封流体の圧力が作用する受圧部を示す概略図、（ｂ）は（ａ）の状態から被密封流体の圧力により静止密封環が縮径した状態を示す概略図である。 静止密封環の薄板部の膨出量を示す概略図である。 図６のＣ矢視図である。 本発明の実施例２における静止密封環を示す図である。

本発明に係るメカニカルシールを実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例１に係る摺動部品につき、図１から図８を参照して説明する。尚、本実施例においては、メカニカルシールを構成する密封環の外径側を被密封液体側（高圧側）、内径側を漏れ側としての大気側（低圧側）として説明する。さらに尚、静止密封環の摺動面側を正面側として説明する。

図１に示される一般産業機械用のメカニカルシール１は、互いに対向する摺動面１１，２１の外径側から内径側（すなわち大気Ａ側）に向かって漏れようとする被密封液体Ｆを密封するインサイド型のものであって、被取付機器を構成するハウジング４に固定されたシールカバー５に、回転が規制された状態で設けられた円環状の一方の密封環としての静止密封環１０と、回転軸３に固定スリーブ２を介して回転軸３と一体的に回転可能な状態で設けられた円環状の他方の密封環としての回転密封環２０と、から主に構成されている。回転密封環２０は、固定スリーブ２に対して軸方向に移動可能な状態で取付けられており、図示しないスプリングによって回転密封環２０が静止密封環１０に向けて軸方向に付勢された状態で、回転軸３に伴い回転することにより、静止密封環１０の摺動面１１と回転密封環２０の摺動面２１とが互いに密接摺動するようになっている。尚、後述するが、静止密封環１０の摺動面１１は、回転密封環２０側（以下、正面側ということもある）の端面１０ａよりも軸方向に突出して形成されるノーズ部１２の端面であり、この摺動面１１は、後述する被密封液体Ｆによる圧力が負荷される前の自然状態では、その全面にわたり軸方向に対して直交する平坦面である。また回転密封環２０の摺動面２１は、全面にわたり軸方向に対して直交する平坦面である。

静止密封環１０及び回転密封環２０は、代表的にはＳｉＣ（すなわち硬質材料）同士またはＳｉＣ（すなわち硬質材料）とカーボン（すなわち軟質材料）の組み合わせで形成されるが、これに限らず、摺動材料はメカニカルシール用摺動材料として使用されているものであれば適用可能である。尚、ＳｉＣとしては、ボロン、アルミニウム、カーボン等を焼結助剤とした焼結体をはじめ、成分、組成の異なる２種類以上の相からなる材料、例えば、黒鉛粒子の分散したＳｉＣ、ＳｉＣとＳｉからなる反応焼結ＳｉＣ、ＳｉＣ－ＴｉＣ、ＳｉＣ－ＴｉＮ等があり、カーボンとしては、炭素質と黒鉛質の混合したカーボンをはじめ、樹脂成形カーボン、焼結カーボン等が利用できる。また、上記摺動材料以外では、金属材料、樹脂材料、表面改質材料（例えばコーティング材料）、複合材料等も適用可能である。

図２及び図３に示されるように、静止密封環１０は、軸方向視で円環状を成す短筒状に形成されており、該静止密封環１０における正面側の端面１０ａには、回転密封環２０側に径方向の一部が突出するノーズ部１２が環状に形成されている。また、静止密封環１０における摺動面１１の背面側（すなわち回転密封環２０とは反対側）には、該背面側に開口して軸方向に延びる切欠溝１３が周方向に複数等配に形成されている。なお本実施例では切欠溝１３が周方向に８箇所形成されているが、切欠溝１３の数は本実施例に限らない。

言い換えれば、静止密封環１０には、周方向に離間して複数配設される切欠溝１３の間に、離間して複数配設される肉厚部としての厚板部１４と、隣り合う厚板部１４同士の正面側の部位を連結し、厚板部１４よりも軸方向に肉薄の薄板部１５と、薄板部１５から軸方向に延び隣り合う厚板部１４同士の高圧側の部位を連結し、厚板部１４よりも径方向に肉薄の側板部１６と、薄板部１５から軸方向に延び隣り合う厚板部１４同士の低圧側の部位を連結し、厚板部１４よりも径方向に肉薄の側板部１８と、が形成されている。すなわち、側板部１６は、被密封液体Ｆ側の空間と切欠溝１３とを区画する第１の側板部として機能しており、側板部１８は、大気Ａ側の空間と切欠溝１３とを区画する第２の側板部として機能している。また側板部１６の薄板部１５側には、径方向に段差を成す段差部１６ａが形成されており、この段差部１６ａとシールカバー５の前面部に縮径された縮径部５ａ（図１参照。）とが軸方向に係合することで、静止密封環１０が抜け止めされている。尚、厚板部１４における回転密封環２０側の面である正面、及び薄板部１５における回転密封環２０側の面である正面が面一に形成されており、静止密封環１０の端面１０ａを構成している。また、厚板部１４における外周面、及び側板部１６における外周面が面一に形成されており、静止密封環１０の外周面を構成しているとともに、厚板部１４における内周面、及び側板部１８における内周面が面一に形成されており、静止密封環１０の内周面を構成している。段差部１６ａ、縮径部５ａは、静止密封環１０が他の手段で抜け止めされていれば、無くてもよく、その場合、静止密封環１０は一様の周面でもよく、また、他の凹凸形状となっていてもよい。

図３及び図４に示されるように、切欠溝１３は、背面から軸方向に見て矩形状を成している。詳しくは、切欠溝１３は、周方向に対向して平行に延びる一対の面１３ｃと、これらの面１３ｃにそれぞれ直交し該面１３ｃの外径側の部位を繋ぐように延びる面１３ｂ（すなわち切欠溝１３の外径面１３ｂ）と、一対の面１３ｃの内径側を繋ぐように円弧状に延びる面１３ｄ（すなわち切欠溝１３の内径面１３ｄ）と、各面１３ｃ、面１３ｂ及び面１３ｄの前端側の部位を直交して繋ぐように延びる面１３ｅ（すなわち切欠溝１３の摺動面１１側の端面１３ｅ、すなわち薄板部１５の背面）と、で構成されている。側板部１８の被密封液体Ｆ（図５参照）とは径方向反対側かつ背面側の端部１３ａ（すなわち側板部１８の内径側かつ背面側の端部１３ａ）の周方向の寸法Ｌ１は、隣り合う切欠溝１３同士の被密封液体Ｆ（図５参照）とは径方向反対側かつ背面側の端部１４ａの周方向の離間寸法Ｌ２、言い換えれば厚板部１４の内径側かつ背面側端部の周方向に延びる円弧線の寸法Ｌ２よりも短くなっている（Ｌ１＜Ｌ２）。尚、側板部１８の外径側かつ背面側の端部の周方向の寸法Ｌ１０（すなわち、面１３ｄの背面側の端部の周方向の寸法Ｌ１０）は、側板部１８の内径側の端部１３ａの周方向の寸法Ｌ１よりも僅かに長くなっている（Ｌ１＜Ｌ１０）。さらに尚、側板部１８の外径側かつ背面側の端部の周方向の寸法Ｌ１０は、切欠溝１３の内径側かつ背面側の端部の周方向の寸法と同一であるため、以下、単に切欠溝１３の周方向の寸法Ｌ１０とも表す。

また、切欠溝１３の軸方向の寸法Ｌ３は、厚板部１４の軸方向長さの半分よりも長く、且つ切欠溝１３の周方向の寸法Ｌ１０よりも長くなっている（Ｌ１０＜Ｌ３）。尚、切欠溝１３の形状は切欠溝１３の周方向中央部を通るように静止密封環１０の中心から放射状に延びる面Ｓ（以下単に基準面Ｓという。図４（ｂ）の二点破線を参照。）を基準として面対称に形成されていればよく、これにより、後述のように、静止密封環１０が被密封液体Ｆの圧力を受けたときに、変形が基準面Ｓを中心に対称に生じ、切欠溝１３を区画する薄板部１５の周方向中央部にその変形応力が集中し、また、その変形の向きは摺動面１１側に向かうため、変形応力は摺動面１１に伝達され、後述する摺動面１１の膨出が効率よく生じる。

また、図４（ａ）に示されるように、静止密封環１０には、背面側に開口する切欠溝１３が形成されているため、静止密封環１０の正面側である摺動面１１側に偏った形状となっており、径方向の断面における静止密封環１０の仮想重心Ｇは、静止密封環１０の軸方向中央部Ｃよりも摺動面１１側に位置している。尚、仮想重心Ｇは、径方向に断面における平面における重心を意味し、仮想を付して称している。また、図４（ｂ）に示されるように、切欠溝１３の軸方向の寸法Ｌ３は、静止密封環１０の背面から仮想重心Ｇまでの軸方向の寸法Ｌ９よりも長く形成されている。言い換えると、切欠溝１３は背面側の開口Ｍから仮想重心Ｇを越えて摺動面１１側まで延びる形状となっている。

後述のように、静止密封環１０が被密封液体Ｆの圧力を受けた際には、薄板部１５と側板部１６との角部近傍を変形起点Ｔ（図４（ａ）参照）として側板部１６の背面側の部位が内径方向に移動し、静止密封環１０の背面側の部位が縮径するようになっている。このように、切欠溝１３は背面側の開口Ｍから仮想重心Ｇを越えて摺動面１１側まで延びる形状となっており、切欠溝１３の軸方向の寸法Ｌ３、言い換えれば、側板部１６の背面から変形起点Ｔまでの寸法を長く確保できるので、静止密封環１０の背面側の部位を大きく縮径させることができるとともに、薄板部１５の軸方向の厚みが薄く形成されているので、静止密封環１０の縮径時に生じる内部応力が薄板部１５に伝わりやすい構造となっている。

薄板部１５の軸方向の厚み寸法Ｌ４は、厚板部１４の軸方向の厚み寸法Ｌ５よりも短い（Ｌ４＜Ｌ５）。

側板部１６の厚み寸法Ｌ６は、厚板部１４の径方向の厚み寸法Ｌ７よりも短い（Ｌ６＜Ｌ７）。また、側板部１８の厚み寸法Ｌ８は、厚板部１４の径方向の厚み寸法Ｌ７よりも短い（Ｌ８＜Ｌ７）。さらに、側板部１８の厚み寸法Ｌ８は、側板部１６の厚み寸法Ｌ６よりも短い（Ｌ８＜Ｌ６）。

また、特に図４（ａ）に示されるように、ノーズ部１２は、静止密封環１０の端面１０ａの径方向中央部に配置されている。具体的には、静止密封環１０の摺動面１１の内径端１１ａが側板部１８の外径面である切欠溝１３の内径面１３ｄよりも外径側に配置され、静止密封環１０の摺動面１１の外径端１１ｂが側板部１６の内径面である切欠溝１３の外径面１３ｂよりも内径側に配置されている。詳細には、ノーズ部１２は、側板部１６及び側板部１８と軸方向に重畳せず、かつ側板部１８側に若干寄せるように配置されており、言い換えれば、ノーズ部１２は、静止密封環１０の端面１０ａの径方向中央部における内径側に配置されている。尚、本実施例では、ノーズ部１２が側板部１６及び側板部１８と軸方向に重畳しないようになっている形態を例示したが、ノーズ部１２の外径端、或いは内径端が側板部１６、或いは側板部１８と軸方向に一部重畳していてもよい。

次に、メカニカルシール１の使用時の静止密封環１０の形態について図５～図８に基づいて説明する。

図５に示されるように、静止密封環１０がハウジング４及びシールカバー５に取付けられた状態にあっては、ハウジング４の正面に環状に凹溝４ａが形成され、凹溝４ａに配置された無端状の二次シール６例えばＯリングが、周方向一様（すなわち周方向に同じような形状）に設けられ、静止密封環１０の背面側（すなわち回転密封環２０とは反対側）における外径側の端面に圧接されており、被密封液体Ｆは、二次シール６よりも外径側の静止密封環１０とシールカバー５との間に浸入し、二次シール６よりも内径側の切欠溝１３（すなわち大気Ａ側）への浸入は防止されている。すなわち、静止密封環１０の外周面、具体的には厚板部１４、薄板部１５、側板部１６、及びノーズ部１２の外周面は、外径から内径に向けて被密封液体Ｆの圧力を受ける受圧部１７として構成されている。つまり、二次シール６は静止密封環１０の周囲で切欠溝１３よりも被密封液体Ｆ側に配置され、切欠溝１３に被密封液体Ｆが流入しない配置であればよい。尚、被密封液体Ｆによる力は、受圧部１７以外にも薄板部１５の前面（すなわち端面１０ａ）や段差部１６ａの前面に背面側に向けて軸方向に作用するが、静止密封環１０の外周面、特に厚板部１４の外周面に支配的に作用し、後述のように静止密封環１０が縮径するようになる。また、静止密封環１０の内周面、具体的には厚板部１４、薄板部１５、側板部１８、及びノーズ部１２の内周面は、被密封液体Ｆよりも低圧の大気Ａ側に面している。

また、静止密封環１０がハウジング４及びシールカバー５に取付けられた状態にあっては、切欠溝１３の背面側の開口Ｍはカバー部材としてのハウジング４により閉塞されている。すなわち、切欠溝１３は、被密封液体Ｆ側の空間とは連通しておらず、且つ大気Ａ側の空間とは側板部１８とハウジング４との僅かな隙間を介して連通している。尚、大気Ａ側の空間と側板部１８との間にＯリングを配置して切欠溝１３が密封状に閉塞されるようにしてもよい。

図６（ａ）（ｂ）に示されるように、静止密封環１０の受圧部１７が被密封液体Ｆの圧力を受けると、切欠溝１３があるため、他の箇所と比較して強度的に弱い静止密封環１０の軸方向背面側の部位が圧力により縮径するようになる。具体的には、特に図６（ｂ）に示されるように、静止密封環１０の受圧部１７が被密封液体Ｆの圧力を受けると、隣り合う厚板部１４における背面側の部位の径方向中央部は互いに接続されておらず、言うなれば自由端であるとともに、外径側の側板部１６に比べ内径側の側板部１８が強度的に弱いので厚板部１４の背面側の部位且つ内径側の部位が周方向に互いに近づくように押圧されて静止密封環１０が縮径する。また、薄板部１５およびノーズ部１２には切欠溝１３が無く無端環状であり、構造的強度が高いため、軸方向において摺動面１１に近いほど変形しにくい。そのため、静止密封環１０は背面側の部位が大きく縮径し、摺動面１１側の部位が小さく縮径する。これにより、図６（ｂ）の右図で示すように、この押圧により生じた内部応力により厚板部１４よりも薄い薄板部１５を軸方向に回転密封環２０側に膨出させることができるようになっている。また、薄板部１５が回転密封環２０側に膨出されると、薄板部１５に沿ってノーズ部１２も膨出するように変形する。尚、図６では、説明の便宜上、側板部１６の変形量や薄板部１５の膨出量を実際よりも大きく図示している。

また、図６（ｂ）に示されるように、切欠溝１３は外径側に側板部１６が存在し、内径側に側板部１８が存在するので、薄板部１５は、径方向中央部が変形しやすい。また、側板部１６に比べ側板部１８が薄く形成され、構造強度が弱いので、薄板部１５は、径方向中央部における外径側の部位に比べて内径側の部位が変形しやすく、薄板部１５における回転密封環２０側への膨出量は径方向中央部における内径側の部位が大きくなっている。また、ノーズ部１２は、静止密封環１０の端面１０ａの径方向中央部における内径側に配設されているので、薄板部１５の大きな膨出を受けて変形するようになっている。また、薄板部１５は、その周方向両端よりも周方向中央部の方が回転密封環２０側への膨出量が大きくなっている。薄板部１５の膨出態様について、より詳しくは、薄板部１５を回転密封環２０側から軸方向に見た図である図７に示されるように、薄板部１５の周方向中央部かつ径方向中央部における若干内径側の箇所が最も膨出し、当該箇所から周囲に末広がり状に膨出している。尚、図７においては、薄板部１５の膨出量を網点で概略的に図示しており、網点の濃度が高いほど軸方向への膨出量が大きいことを示している。さらに尚、図７では、説明の便宜上、ノーズ部１２の図示を省略している。

図８に示されるように、薄板部１５が回転密封環２０側に膨出されることで、摺動面１１において、薄板部１５の周方向中央部に対応する部分は凸部８として形成され、微視的には該凸部８は回転密封環２０の摺動面２１と接触する部分となるとともに、薄板部１５の周方向両端部に対応する部分および厚板部１４は凹部７として形成され、微視的には回転密封環２０の摺動面２１と接触しない部分となる。これら、静止密封環１０の摺動面１１と回転密封環２０の摺動面２１との間に互いに接触する部分と軸方向に離間する部分とが周方向に交互に等間隔で生じる、すなわち周方向において、凸部８同士の間に凹部７が周方向に規則的に形成される。尚、被密封液体Ｆは気体と比べ粘度が高いため、メカニカルシール１の停止時に凹部７から低圧側の空間に漏れ出すことはなく、若しくは漏れ出す量は微量である。

静止密封環１０と回転密封環２０とが相対回転したときには、凹部７の周方向終端には凸部８が形成されているため、凹部７内に流入した被密封液体Ｆが回転密封環２０の回転方向に追随移動し、凹部７において被密封液体Ｆの圧力が高められ、圧力の高められた被密封液体Ｆは凹部７の終端である凸部８近傍からその周辺に流出する。これにより、静止密封環１０の摺動面１１と回転密封環２０の摺動面２１とは僅かに離間されるとともに、摺動面１１，２１間に存在する被密封液体Ｆにより、良好な潤滑状態を成すようになっている。特に、上記した厚板部１４同士が周方向に近づくように押圧されることで、薄板部１５には、膨出した凸部８が、周方向に離間して複数形成されるため、これらの凸部８の間に形成される凹部７内に被密封液体Ｆを保持し易く、また回転密封環２０の回転により動圧を発生させることができる。

以上説明したように、静止密封環１０には、切欠溝１３が設けられているので、厚板部１４及び側板部１６が内径方向に被密封液体Ｆの圧力を受けたときには、厚板部１４同士を近づけることができるとともに、厚板部１４同士の近接により生じる内部応力を薄板部１５まで有効に伝達させ、摺動面１１を局所的に大きく膨出させて摺動面１１に凹凸を形成することができる構造となっている。そして、切欠溝１３の被密封液体Ｆ側とは反対側である大気Ａ側には第２の側板部である側板部１８が設けられているため、大気Ａ側の空間から切欠溝１３内に塵埃等のコンタミが侵入することを抑制することができる。これによれば、切欠溝１３内にコンタミが堆積することが抑制されるので、切欠溝１３による静止密封環１０の変形代を確保でき、摺動面１１に確実に凹凸を形成することができる。

また、静止密封環１０がハウジング４及びシールカバー５に取付けられた状態にあっては、切欠溝１３の背面側の開口Ｍがハウジング４により閉塞されているので、切欠溝１３内への侵入を確実に防ぐことができる。尚、切欠溝１３の開口Ｍを覆うカバー部材はハウジング４に限られず、例えば、ハウジング４とは別の板部材やキャップなどであってもよい。

また、切欠溝１３は軸方向の寸法Ｌ３が周方向の寸法Ｌ１０よりも大きい。そのため、Ｌ３が大きいほど摺動面１１近くまで切欠溝１３を形成して、薄板部１５を膨出させ易くすることが可能であり、また、Ｌ１０が小さいほど静止密封環１０が切り欠かれる箇所である切欠溝１３の占有容積が小さく済み、静止密封環１０の強度を維持することができる。また、二次シール６が静止密封環１０の背面側（すなわち回転密封環２０とは反対側）の端面に圧接されているので、受圧面積を大きく取ることができ、静止密封環１０を縮径させやすい。これにより、静止密封環１０の摺動面１１と回転密封環２０の摺動面２１との間に確実に凹部７を形成することができ、凹部７内に被密封液体Ｆを保持できるとともに、凹部７で生じる動圧により摺動面１１，２１間を僅かに離間させ、摺動性を向上させることができる。

また、大気Ａ側に設けられる側板部１８は、被密封液体Ｆ側に設けられる側板部１６よりも薄く形成されている。具体的には、側板部１８の厚み寸法Ｌ８は、側板部１６の厚み寸法Ｌ６よりも短く形成されており、側板部１８が側板部１６よりも構造強度が低いので、径方向において静止密封環１０を大気Ａ側に向けて縮径させやすい。

また、切欠溝１３における摺動面１１側の端面１３ｅは、軸方向において静止密封環１０の仮想重心Ｇよりも摺動面１１側に配置されていている。このように、切欠溝１３における摺動面１１側の端面１３ｅは、静止密封環１０の仮想重心Ｇよりも摺動面１１側に配設されているので、切欠溝１３における摺動面１１側の端面１３ｅを摺動面１１側に近付けて、薄板部１５を軸方向に薄く形成することができるとともに、側板部１６の背面から変形起点Ｔまでの寸法を長く確保して静止密封環１０の背面側の部位を大きく縮径させることができるので、変形により生じる内部応力を静止密封環１０における摺動面１１側にまで伝達させやすい。

また、側板部１６は、隣り合う厚板部１４同士の外径側の部位を連結しており、隣り合う厚板部１４同士の間の空間である切欠溝１３が被密封液体Ｆ側の空間に連通しないので、切欠溝１３と被密封液体Ｆとの圧力差を大きく確保することができ、薄板部１５の回転密封環２０側への膨出を確実に行うことができる。

また、薄板部１５の軸方向の厚み寸法Ｌ４は、厚板部１４の軸方向の厚み寸法Ｌ５に比べて薄いため、静止密封環１０の縮径に追従して薄板部１５を応答性高く膨出させることができる。

また、側板部１６の厚み寸法Ｌ６及び側板部１８の厚み寸法Ｌ８は、厚板部１４の径方向の厚み寸法Ｌ７に比べて薄いため、静止密封環１０の縮径に追従して側板部１６及び側板部１８を応答性高く変形させることができる。

また、薄板部１５よりも構造強度の高い厚板部１４の周方向内径側の部位の寸法Ｌ２が、切欠溝１３の周方向の寸法Ｌ１０よりも長いので、静止密封環１０の強度を確保できるとともに、薄板部１５の周方向の長さが短いため、静止密封環１０が縮径したときに変形する箇所が局所的となり、集中するため、回転密封環２０への膨出量を大きくとることができる。

また、薄板部１５において、厚板部１４と薄板部１５とが周方向に等配されており、摺動面１１に等配して凹凸を形成することができるので、静止密封環１０と回転密封環２０との摺動性をより向上させることができる。

また、薄板部１５および厚板部１４の摺動面１１側には軸方向に突出したノーズ部１２が周方向に亘って環状に設けられている。これによると、ノーズ部１２により静止密封環１０の強度が向上するので、薄板部１５を薄く形成することができる。

また、ノーズ部１２は、側板部１６よりも内径側に寄せて配置されており、薄板部１５の軸方向への膨出をノーズ部１２に好適に伝達できる。

また、静止密封環１０は、厚板部１４、薄板部１５、側板部１６、側板部１８、ノーズ部１２が一体形成されているので、各部位が別素材や別部材で形成されている静止密封環に比べて、薄板部１５及び側板部１６を確実に変形させることができる。また、環状の部材に切欠溝１３を切欠き形成すればよいので、静止密封環１０を加工しやすい。

次に、実施例２に係るメカニカルシールにつき、図９を参照して説明する。尚、前記実施例と同一構成で重複する構成の説明を省略する。

図９に示されるように、実施例２における静止密封環１００は、薄板部１５１の内径側から第１の側板部としての側板部１６１が軸方向に延びて隣り合う厚板部１４１同士の内径側の部位を連結するように形成されており、薄板部１５１の外径側から第２の側板部としての側板部１８１が軸方向に延びて隣り合う厚板部１４１同士の外径側の部位を連結するように形成されている。また、静止密封環１００がハウジング４及びシールカバー５に取付けられた状態にあっては、ハウジング４に形成された凹溝４ａ’に配置された二次シール６が静止密封環１００の背面側における内径側の端面に圧接されており、被密封液体Ｆは、摺動面１１１の内径側に配置されている。すなわち、静止密封環１００の内周面、具体的には厚板部１４１、薄板部１５１、側板部１６１、及びノーズ部１２１の内周面は、内径から外径に向けて被密封液体Ｆの圧力を受ける受圧部１７１となっている。

図９（ｂ）（ｃ）に示されるように、静止密封環１００の受圧部１７１が被密封液体Ｆの圧力を受けると、静止密封環１００が外径側に変形して、各厚板部１４１が互いに遠ざかるように外径方向に移動し、これにより厚板部１４１よりも薄い薄板部１５１を背面側に収縮させることができるようになっている。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

前記実施例では、切欠溝１３の周方向の寸法Ｌ１０が厚板部１４の周方向内径側の部位の寸法Ｌ２よりも短く形成されている形態を例示したが、切欠溝は厚板部の周方向よりも長く形成されていてもよい。この場合、静止密封環が縮径されたときに摺動面間に生じる凹部の周方向の寸法を大きく取ることができる。

また、前記実施例では、厚板部１４が周方向に等配されている形態を例示されたが、厚板部の周方向の長さや数量は自由に変更することができる。

また、前記実施例では、静止密封環１０に切欠溝１３が形成されている形態を例示したが、回転密封環２０に切欠溝１３が形成されていてもよいし、両方に切欠溝１３が形成されていてもよい。

また、前記実施例では、被密封流体が液体である形態を例示したが、被密封流体は、気体であってもよいし、液体と気体が混合したミスト状であってもよい。

また、前記実施例では、二次シール部材が静止密封環の背面側に配設される形態を例示したが、これに限られず、例えば、静止密封環の外径側に配置されていてもよい。つまり、側板部の被密封流体側の面、例えば実施例１では側板部１６の外周面に高い圧力がかかる状態であればよい。

また、前記実施例では、大気Ａ側に設けられる第２の側板部は、被密封液体Ｆ側に設けられる第１の側板部よりも薄く形成されている形態を例示したが、これに限られない。また、第１の側板部よりも第２の側板部の構造強度が低くなっていることが好ましい。例えば、第２の側板部を第１の側板部よりも構造強度の低い部材で構成すれば、第２の側板部の厚みが第１の側板部の厚みと同等以上であってもよい。

１ メカニカルシール
３ 回転軸
４ ハウジング（カバー部材）
６ 二次シール（二次シール部材）
７ 凹部
８ 凸部
１０ 静止密封環（一方の密封環）
１１ 摺動面
１２ ノーズ部
１３ 切欠溝（溝部）
１４ 厚板部（肉厚部）
１５ 薄板部
１７ 受圧部
２０ 回転密封環（他方の密封環）
２１ 摺動面
１００ 静止密封環
１２１ ノーズ部
２００ 静止密封環
２１５ 薄板部
２３１ 切欠溝
２４１ 厚板部（肉厚部）
３００ 静止密封環
３１５ 薄板部
３３１ 切欠溝
３４１ 厚板部（肉厚部）
４００ 静止密封環
４１５ 薄板部
４３１ 切欠溝
４４１ 厚板部（肉厚部）
Ａ 大気
Ｆ 被密封液体（被密封流体）

Claims (6)

1. 互いに相対摺動する摺動面を備える一対の密封環を有し、被密封流体を封止するメカニカルシールであって、
   前記一対の密封環の外径側及び内径側のうち一方が被密封流体側であり、他方が漏れ側であり、
   一方の密封環は、径方向漏れ側に、周方向に離間しかつ少なくとも背面側に開口する複数の切欠溝が配置されており、
   前記切欠溝は、径方向被密封流体側に配置される第１の側板部と、前記第１の側板部から径方向漏れ側に離間する第２の側板部によって区画されており、
   前記切欠溝と前記被密封流体側の空間との間には、環状の二次シール部材が配置されており、
   前記二次シール部材は、前記第１の側板部の背面側端面に配置されているメカニカルシール。
2. 前記切欠溝の開口は、カバー部材によって覆われている請求項１に記載のメカニカルシール。
3. 前記第２の側板部は、前記第１の側板部よりも薄く形成されている請求項１または２に記載のメカニカルシール。
4. 前記切欠溝は、前記一方の密封環の径方向断面における仮想重心よりも前記摺動面側まで延びる形状である請求項１ないし３のいずれかに記載のメカニカルシール。
5. 各前記切欠溝は、前記一方の密封環の中心から放射状に延びる基準面を基準として周方向に面対称を成している請求項１ないし４のいずれかに記載のメカニカルシール。
6. 前記一方の密封環は一体形成されていている請求項１ないし５のいずれかに記載のメカニカルシール。

Images